1939年2月，日軍開始對河北南部進行大規模的“掃蕩”，企圖消滅我在南宮地區的黨政機關。第129師386旅旅長陳賡為了粉碎日寇的陰謀，命令受其指揮的八路軍115師688團和補充團於2月7日進駐肥鄉、曲周、威縣一帶，沿公路兩側打擊日軍，配合冀南軍區部隊反掃蕩。陳賡旅長和王新亭政委根據日軍遭襲擊後必報複的規律，周密地製定了一個誘敵威縣日軍第10師團第40聯隊於香城固的伏擊作戰計劃，並統一指揮這一地區的八路軍部隊。8日晚，八路軍第688團、新1團、東進縱隊第3團各一部成功地襲擊了威縣日軍。第688團奉命於香城固設伏，打擊日軍的報複行動。盧彥山奉命率第1連占領了香城固西北角的製高點土地廟，依托圍牆外的幹壕溝構築了防禦工事，配備了較為嚴密的火力體係，準備在日軍進入伏擊圈時，以猛烈的交叉火力殺傷敵人。2月10日中午，威縣日軍抽調安田中隊近300人，附炮3門，分乘8輛汽車，組成快速部隊，由大隊長清水士良率領，向香城固地區進行報複性“掃蕩”。12時30分，當日軍被我小分隊誘至香城固村北時，盧彥山指揮的第1連同全營的火器一齊開火，給日軍以突然而猛烈的打擊。日軍在遭受一些傷亡後，很快清醒過來，慌忙下車猛攻一營陣地，遭到第1連和兄弟連交叉火力的殺傷敗下陣去。日軍又轉攻其他方向的八路軍陣地，仍然堅不可摧，於是便惱怒地集中兵力猛攻第1連陣地，企圖奪取土地廟製高點，扭轉被動挨打的局麵。盧彥山指揮全連英勇機智地與敵人激戰近4個小時，在友鄰部隊的配合下打退了日軍4次衝鋒，斃傷敵30餘人。第1連兩個班長和7名戰士英勇犧牲在土地廟陣地上。但是，第1連陣地卻巍然不動，為全殲日軍快速部隊創造了條件。下午4時許，日軍一邊進攻，一邊收屍，燒屍，整個村子彌漫著焦肉氣味。20分鍾後，日軍開始施放毒氣，企圖奪路逃跑。許多戰士中毒流淚，不斷咳嗽。盧彥山作為連長心急如焚，一頓足，急中生智，忙叫戰士們用尿打濕毛巾捂住嘴鼻防毒，同時，他不顧毒氣的傷害，抱起機槍一陣猛掃，給放毒之敵以殺傷。戰至17時左右，許世友副旅長率新1團趕來增援，經過短兵相接的戰鬥，終於全殲了這支日軍快速部隊。香城固伏擊戰的勝利，沉重地打擊了日寇的囂張氣焰，振奮了群眾的抗日情緒，對鞏固冀南抗日根據地，堅持平原遊擊戰爭起到了重要作用。這一光輝戰例，曾受到國民革命軍總司令蔣介石的通令嘉獎。
1939年秋後，盧彥山在彭城戰鬥中，右手和右臂負了重傷，昏迷不醒，被送進了後方醫院。在醫院裏，他以頑強的毅力戰勝了傷殘，回到了抗日前線。